JKI Open Journal Systems (Julius Kühn-Institut)

    Web service design of an automated assistance system for site-specific application of pesticides with financial and environmental risk perspectives

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    In dem Projekt „Assistenzsystem zur teilflächenspezifischen Applikation von Pflanzenschutzmitteln“ (AssSys) wird ein System für die teilflächenspezifische Applikation von Pflanzenschutzmitteln entwickelt. Es wird der Fragestellung nachgegangen, inwieweit sich Pflanzenschutzmittel einsparen lassen, wie diese umweltschonender ausgebracht werden können und wie wirtschaftlich eine teilflächenspezifische Behandlung ist. Das Herzstück von AssSys ist der Applikationskartenservice, welcher über das Internet mit zahlreichen Webservices verbunden ist. Die Webservices sind so konzipiert, das offene, gängige Standards zum Einsatz kommen, wie z. B. die Datenaustauschformate ISOXML und GeoJSON. Erste Applikationskarten konnten bereits erzeugt und auf das Terminal im Schlepper übertragen werden.In the project "Assistance system for site-specific application of plant protection products (AssSys)”, a system for site-specific application of plant protection products is being developed. The questions of interest are to what extent the amount of pesticides applied can be reduced, how the applications can be made more eco-friendly and how economical a site-specific treatment is. The heart of AssSys is the application map service, which is linked to numerous web services via the Internet. The web services are designed with commonly used, open-standard formats such as the data exchange formats ISOXML and GeoJSON

    Investigation of useful traits in breeding of Melissa officinalis L.

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    Diese Arbeit stellt die grundlegenden Ergebnisse des Projektes „Entwicklung generativ vermehrbarer Hochleistungslinien von Zitronenmelisse (Melissa officinalis) durch konventionelle Erzeugung homozygoter Linien als Voraussetzung für Synthetiks oder Hybridsorten“ dar, welches im Rahmen des Demonstrationsprojektes „Verbesserung der internationalen Wettbewerbsposition des deutschen Arznei- und Gewürzpflanzenanbaus am Beispiel der züchterischen und anbautechnologischen Optimierung von Kamille, Baldrian und Zitronenmelisse“ durch die FNR gefördert wurde vor. Ziel dieser Arbeit ist es im Konkreten das Grundwissen über die Gattung Melissa bereitzustellen und im Allgemeinen Grundlagen für neue Züchtungsmethoden in der Familie der Lamiaceae und anderen Arznei- und Gewürzpflanzen zu schaffen und durch den Züchtungsfortschritt den Anbau von Arznei- und Gewürzpflanzen zu unterstützen. In Form einer kumulativen Disseration werden die veröffentlichten Ergebnisse der Untersuchungen der Genpools der uns zur Verfügung gestellten Akzessionen zusammenfassend dargestellt. Die Veröffentlichungen „Chromosome number and ploidy level of balm (Melissa officinalis)”, „Evaluation of 28 balm and lemon balm (Melissa officinalis) accessions for content and composition of essential oil and content of rosmarinic acid” und „Content and composition of essential oil and content of rosmarinic acid in lemon balm and balm genotypes (Melissa officinalis)” befassen sich mit der Untersuchung der züchterischen Grundlagen an Melisse. In den Arbeiten werden die grundlegenden Eigenschaften der Akzessionen und Genotypen wie Ploidiestatus, Gehalt und Zusammensetzung des ätherischen Öles und der Gehalt an Rosmarinsäure beschrieben. Besonders hervorzuheben ist dabei die Erstbeschreibung triploider Melissegenotypen sowie der drei beschriebenen Chemotypen der Melisse. Diese Arbeit enthält somit wichtige und wertvolle Informationen zur Kulturpflanze Melisse und darüber hinaus Ansatzpunkte für moderne Züchtungsverfahren in Arznei- und Gewürzpflanzen der Familie Lamiaceae.This thesis contains the published results of the ”Development of generative propagatable high yielding lines of lemon balm (Melissa officinalis L.) via conventional generating of homozygote lines as a prereqisite for synthetic and hybrid variaties” (original title in German: „Entwicklung generativ vermehrbarer Hochleistungslinien von Zitronenmelisse (Melissa officinalis L.) durch konventionelle Erzeugung homozygoter Linien als Voraussetzung für Synthetiks oder Hybridsorten“) which was part of the project “Improving the international position of the German production of medical herbs and spices, by taking the example of the optimisation of breeding and cultivation of valerian, camomile and lemon balm.“ and was funded by the Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe . The papers “Chromosome number and ploidy level of balm (Melissa officinalis)”, “Evaluation of 28 balm and lemon balm (Melissa officinalis) accessions for content and composition of essential oil and content of rosmarinic acid” and “Content and composition of essential oil and content of rosmarinic acid in lemon balm and balm genotypes (Melissa officinalis)” contain important results for modern breeding attempts in lemon balm. The publications show the characteristics of the accessions and genotypes such as ploidy status, content and composition of essential oil and content of rosmarinic acid. Of particular importance are the first descriptions of triploid Melissa genotypes, as well as three Melissa chemotypes, which have never been outlined before

    Effect of moisture-proof corrugated boxes on water loss from cabbage during storage

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    Reducing water loss from cabbages during storage is essential to extend the shelf life of this widely consumed horticultural crop. In this study, we evaluated the effect of moisture-proof corrugated boxes (MPBs) on water loss from cabbages during storage. We first evaluated the water vapour barrier property of MPB material and found it to be superior to that of conventional corrugated box (CCB) material. Cabbages were then stored in MPBs and CCBs for 9 days, during which their water loss was measured. Cabbages stored in MPBs showed significantly less water loss than those in CCBs. Moreover, storage in the MPBs did not negatively affect the fundamental qualities of the cabbages, such as the green colouration, the soluble solid content, and the ascorbic acid content. The use of MPBs was demonstrated to be an effective and viable way to reduce water loss from cabbages during storage

    Preface

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    1st International Congress on Grapevine and Wine Science

    Studien zum Resistenzlokus Rpv10 gegen den Falschen Mehltau (Plasmopara viticola) der Weinrebe (Vitis vinifera)

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    Durch die verschiedenen Analysen in diesem Projekt, kann der Rpv10-Lokus besser verstanden werden. Durch die Auswahl differenter Genotypen mit verschiedenen Resistenzloki (Rpv3.3, Rpv10, Rpv10/3.3) konnte eine Reaktion auf das Pathogen spezifiziert werden. Durch diverse Färbemethoden und Mikroskopiertechniken konnte gezeigt werden, dass Träger des Rpv10-Lokus eine ähnlich starke HR wie Rpv3.3-Träger zeigen und diese verstärkt wird, wenn beide Resistenzloki kombiniert in einem Genotypen vorkommen. Die Infiltration des Pathogenmyzels im Mesophyll konnte durch die Anilin-Blau-Färbung mikroskopisch sichtbar gemacht und anschließend an verschiedenen Tagen (2 dpi, 7 dpi) graphisch durch die Software WinRhizo quantifiziert werden. Dabei bilden die Genotypen mit gleichen Resistenzloki eine Gruppe. In einer RNA-Seq-Studie mit verschiedenen Genotypen (Rpv10 homozygot, Rpv10/Rpv3 heterozygot, anfällig) konnten eine Vielzahl induzierter Gene der frühen Abwehr gegen P. viticola analysiert und in unterschiedliche GO-Terme funktionell eingeteilt werden. Dabei bilden die „biologischen Prozesse“ die größte Untergruppe. In dieser wurden weitere Gruppen spezifiziert. Weiterhin konnten verschiedene induzierte Transkriptionsfaktoren gefunden werden, wovon im weiteren Verlauf stichpunktartig zwei über qRT-PCR getestet wurden. Durch die RNA-Seq-Studie konnten auf Chromosom 16 zwei Gen-Cluster beschrieben werden, die für den Abwehrprozess eine entscheidende Rolle spielen. Das PAL-Cluster nimmt dabei die erste Position innerhalb der Abwehr ein und aktiviert dabei das nachgeordnete zweite Cluster von Sekundärmetaboliten. Dieses STS-Cluster enthält zahlreiche STS-Gene, die bei einer Induktion zum Eindämmen oder Absterben des Pathogens führen. Dabei zeigte sich die größte Anzahl an hochregulierten Genen im heterozygoten Genotypen und die geringste Anzahl erwartungsgemäß im anfälligen. Durch eine Stilben-Analyse mittels HPLC konnten diese Ergebnisse bestätigt werden. Es wurde zu vier verschiedenen Zeitpunkten (vor der Inokulation, 24 hpi, 48 hpi, 72 hpi) der Gehalt von sieben Substanzen gemessen. In den resistenten Genotypen zeigte sich innerhalb der drei pathogentoxisch wirkenden Substanzen (trans-Resveratrol, trans--Viniferin, trans--Viniferin) ein stetiger Anstieg der Konzentrationen. Dabei wurden die höchsten Konzentrationen bei ’Solaris’ detektiert. Diese eckt sich mit den Resultaten der RNA-Seq-Studie. Für die spätere Abwehr konnten zwei Kandidatengene aus dem Rpv10-Lokus identifiziert werden. Dabei handelt es sich um Rpv10#1 und Rpv10#2. Das Homolog zu Rpv10#1 ist ein Resistenzgen aus A. thaliana und kann den NBS-LRR-Genen zugeordnet werden. Bei dem Homolog von Rpv10#2 handelt es sich um den TF AP2/ERF, ebenfalls in A. thaliana charakterisiert. Beide Kandidatengene wurden mit verschiedenen bioinformatischen Analysen näher untersucht. Die Gene konnten im weiteren Verlauf amplifiziert, kloniert und in anfällige Reben transformiert werden. Die Funktion dieser Gene konnte in transgenen Pflanzen auf Grund langer Regenerationszeiten noch nicht analysiert werden. Es zeigt sich aus den Studien, dass der Rpv10-Lokus einen starken Abwehreinfluss ausübt. Dieser wird durch das Vorhandensein anderer Resistenzloki verstärkt. Der Mechanismus kann durch das Zusammenspiel von verschiedenen aufeinanderfolgenden Einzelreaktionen beschrieben werden. Wobei die ersten eintretenden Reaktionen auf den Pathogenkontakt durch Superoxide ausgelöst werden, die sich zu einer HR aufbauen. Weiterhin werden im ersten Stadium pathogentoxische Substanzen ausgeschüttet, die das Wachstum des Pathogens hemmen. Es handelt sich in diesem Fall nicht um eine Immunität bei der das Pathogen direkt nach der Penetration abgetötet, sondern langfristig inhibiert wird. Denn wie beobachtet werden konnte, verhalten sich die untersuchten Genotypen bis nach dem ersten Tag gleich. Die Zoosporen finden die Stomata, bilden eine Penetrationshyphe und beginnen mit der Infiltration des Mesophylls. Nach 24 hpi verändern sich jedoch diese Beobachtungen und die Genotypen zeigen ein unterschiedliches Verhalten auf das Pathogenwachstum. Im zweiten Stadium der Pathogenabwehr zeigt eines oder mehrere Gene aus dem Rpv10-Lokus den stärksten Einfluss auf den Abwehrprozess, denn wie bei den Rpv3.3 tragenden Gentypen gezeigt werden konnte, bilden diese nach sieben Tagen ebenfalls Sporangien. Keiner der Rpv10 tragenden Genotypen bildete während der Versuche Sporangien.Previous studies promoted molecular and histological investigations on the resistance locus Rpv10 originating from the Asian wild species Vitis amurensis. By sequencing the two haplotypes of the Rpv10 locus of the cultivar ’Solaris’ some candidate genes were characterized by bioinformatic tools, isolated by amplification with specific primers and transformed into susceptible grapevines grown in vitro (Dudenhöffer and Zyprian, unpubliziert). Microscopic studies on a Rpv10 carrying cultivar and different reference varieties (a susceptible genotype, Rpv3.3 carriers and genotypes with Rpv10/Rpv3.3) provided important information on the resistance mechanism at different time points after inoculation. At seven days post-inoculation strong differences between the different genotypes became obvious. These can already be recognized  macroscopically at this time. Microscopic differences appear already after four days at the growth of the mycelium within the mesophyll. For objective evaluation of the microscopic images after seven days, the software WinRhizo was used to calculate the area of mycelium growth within the mesophyll. RNA-Seq studies on a homozygous (Rpv10/Rpv10), a heterozygous (Rpv10/Rpv3.3) and susceptible reference genotypes provided useful insights. The number of induced genes in the different genotypes was evaluated and  classified according to GO terms that are important for pathogenplant interaction. As expected, the highest number of induced genes could be detected in the heterozygous genotype. The susceptible genotype is the taillight in all analyses performed. Furthermore, two important gene clusters for the different genotypes could be described on chromosome 16. The first gene cluster is a PAL cluster (15 genes) which is known to code for the entry of metabolic pathways leading to secondary metabolites when plant cells are damaged. The second gene cluster is an STS cluster (35 genes). The genes in this cluster encodes for enzymes producing secondary metabolites, more precisely phytoalexins. These are activated by PAL. They are  described in many literature sources as defensive substances against bacteria, fungi, viruses and insects. In this STS cluster it could be shown that 27 STS genes are strongly upregulated in the heterozygous genotype. In the susceptible genotype, however, only seven genes were upregulated. For the validation of the RNA-Seq analysis, qRT-PCR was performed on selected genes encoding transcription factors. In addition the amount of stilbenes was analysed at certain times (0 hpi, 24 hpi, 48 hpi and 72 hpi). Three different genotypes  (’Solaris’, ’Sibera’ and ’Müller-Thurgau’) were used for qRT-PCR. The stilbene analyses were performed with identical genotypes as selected for microscopy. Both validation methods confirm the results of the RNA-Seq analysis

    NIRS-based detection and removal of pyrrolizidine alkaloid containing weeds in crop plants after harvest – PA-NIRSort

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    Pyrrolizindinalkaloide (PAs) sind lebertoxisch wirkende, sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe, die den Pflanzen zum Schutz vor Fraßfeinden dienen. In den letzten Jahren sind PAs verstärkt in den Fokus gerückt, da sie als ungewollte Beiernte besonders in Bio- und Kindertees zu zum Teil sehr hohen Alkaloid-Belastungen führten. Inzwischen wurden strenge PA-Grenzwerte vom Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinprodukte (BfArM) publiziert, denn Arzneipflanzen können mit PA-haltigen Unkräu­tern wie verschiedenen Kreuzkraut-Arten, Gemei­nem Natternkopf, Ackervergißmeinnicht, Gewöhnlicher Hundszunge, Wasserdost oder Borretsch verunreinigt sein und so über Arznei- oder Aroma-Tees Menschen potenziell gefährden (BfArM, 2016). Durch diese strengen Grenzwerte genügen unter Umständen vier bis fünf PA-bildende Pflanzen des Gemeinen Greiskrauts (Senecio vulgaris) je Hektar Anbaufläche, um die Verkehrsfähigkeit einer Tonne Medizinaldroge zu gefährden. Dies zu verhindern erfordert eine engmaschige regelmäßige Feldkontrolle und mechanisches Unkrautentfernen, das unter ökonomischen Aspekten kaum realisierbar ist. Daher kommt einer, der Ernte nachgelagerten Qualitätskontrolle zum Entfernen potentieller PA-Beikräuter eine besonders wichtige Rolle zu. Ziel des im März 2019 gestarteten, von der Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe (FNR) geförderten Verbundprojekts des Julius Kühn-Instituts Berlin (Institut für Ökologische Chemie, Pflanzenanalytik und Vorratsschutz) und des Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung (IOSB) ist die Entwicklung einer leistungsfähigen Detektionsmethode auf Basis von Hyperspektral-Nah-Infrarot-Spektroskopie (hyper­spektral-NIRS) zur Erkennung von Verunreinigungen durch PA-haltige Pflanzen(teile) im Erntegut von Arznei- und Gewürzpflanzen. In Kombination mit einer gekoppelten Sortiereinheit (beispielsweise über Druckluftimpulse) soll so eine Abtrennung unerwünschter und poten­tiell toxischer Beikräuter erzielt werden. Am Ende des Projektes soll ein Prototyp zur echtzeitfähigen Rei­nigung der Erntechargen verschiedener Arznei- und Gewürz­pflanzen vorgestellt werden. Ähnliche Systeme sind bereits in der Kunststoff-Abfallsortierung bzw. der Qualitätskontrolle von Weinbeeren auf Basis des Oechsle-Grades etabliert (Freund et al., 2015). Angestrebt wird ein Durchsatz von bis zu 1,5 t/h. Mit einer solchen automatisierten Sortiertechnik ließen sich die gesundheitlichen Risiken durch PA-verunreinigte Arzneipflanzenprodukte für die Anbauer und Verarbeiter von Arzneipflanzen ökologisch und ökonomisch effizient reduzieren. Dies würde auch eine Sicherung der qualitativ hochwertigen und konkurrenzfähigen Produktion pflanzlicher Arzneimittel in Deutschland bedeuten. Erste Ergebnisse zeigen, dass eine Klassifizierung der Pflanzenarten mittels NIR-Spektroskopie zuverlässig möglich ist. Um solche Bildanalysen auch in Echtzeit durchführen zu können, werden die zu verarbeitenden Datenmengen mittels multifaktorieller Datenanalyse auf entscheidende spektrale Merkmale (Faktoren) reduziert.The general objective of the project is the development of an efficient sorting system based on hyperspectral near-infrared spectroscopy (NIRS) for the detection and separation of impurities by pyrrolizidine alkaloid (PA)-containing plant-derived contaminations in cultural plants, e.g. medicinal and aromatic plants. PAs are liver-toxic secondary metabolites that protect plants from predators and have drawn more attention in recent years after harmful concentrations were found in medicinal teas. By now, the German Federal Institute for Drugs and Medical Devices (BfArM) has published strict PA limit values because medicinal plants can be contaminated with PA-containing weeds such as various types of ragwort, groundsel, common viper's head, field forget-me-not, common dog's tongue, water-east or borage and thus, potentially endanger people with medicinal or aromatic teas (BfArM, 2016). Four to five PA-containing plants e.g of Senecio vulgaris per hectare are sufficient to contaminate one ton of the drug by exceeding the critical value of maximum uptake of 0,007 μg PA/kg body weight per day published by HMPC. The planned process will analyze fresh and dried plant material on a flat-conveyer using hyperspectral NIR spectroscopy to detect impurities in the crop. After identification, contaminants should be removed by a sorting technique, e.g. using compressed air pulses. Similar systems have already been established in plastic waste sorting and quality control, for example for grapes (Freund et al., 2015). The aim is to achieve a high throughput of up to 1.5 t/h with such an automated sorting technology, the health risks posed by PA-contaminated medicinal plant products could be reduced ecologically and economically efficient for cultivation and processing of medicinal plants. This would also mean safeguarding high-quality and competitive plant-derived drug production in Germany. First results show that a classification of target plant species and contaminating groundsel using NIR spectroscopy succeeds for various medicinal plants. To be able to carry out such image analyses in real-time, the amount of data to be processed will be reduced to the decisive factors using multifactorial data analysis

    Non-Apis bees as model organisms in laboratory, semi-field and field experiments

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    Im Rahmen der Zulassung von Pflanzenschutzmitteln und ihren Wirkstoffen in der EU wurde das Risiko für Bienen bisher anhand der Westlichen Honigbiene (Apis mellifera L.) als Modellorganismus für alle Bienenarten bewertet. In den letzten Jahren wurde kontrovers diskutiert, ob Wildbienenarten in der Risikobewertung ebenfalls berücksichtigt werden sollten, um die bisherigen Daten­anforderungen für Honigbienen zu erweitern. Dies geht damit einher, etablierte, standardisierte Methoden für die Honigbiene an zusätzliche Wildbienenarten anzupassen und zu verstehen, wie diese Arten auf den verschiedenen Testebenen (Labor-, Halbfreiland- und Freilandtests) eingesetzt werden können. In diesem Artikel gehen wir zunächst auf die Bedeutung von Bienen als Testorganismen ein, diskutieren den derzeitigen Stand der Forschung, die für die Methodenentwicklung und das experimentelle Design für das Arbeiten mit Bienen wichtig ist, um abschließend einen Ausblick auf aktuelle Aktivitäten in der Standardisierung von Testmethoden zu geben.As part of the registration process of plant protection products (PPPs) and their active substances in the EU, the risk of PPPs for bees has been assessed so far by using the European honey bee (Apis mellifera L.) as a surrogate species. In the past few years other bee species have been discussed to augment data on honey bees. The addition of bee species in the registration process goes along with adapting test methodologies to new bee species and understand­ing how to use these species at different tiers (laboratory, semi-field and field levels). Here we first discuss the importance of bees as test organisms, outline the current state of research relevant to the methodology and design of experiments with bees and highlight recent activities in the standardization of test procedures
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